Chapitre III : conception et Fabrication d’un moule :
III- 6-1 Les propriétés du moule
1) Propriétés thermiques : la température du moule au repos est selon la température ambiante, en état de marche sa température est de 25 degrés , la préforme sort d’un four qui la chauffe grâce à ces 7 ampoules (résistances) sa température dépend de la
supporter la température de cette préforme , c’est pour cela qu’il est doté d’un système de refroidissement, grâce à un refroidisseur de l’eau froide rentre dans le moule a une température de 5 degrés et en ressort à 15 degrés environs. À la fin de ce processus on obtient notre produit prêt à l’utilisation.
2) Propriétés physiques : pour que la préforme prenne forme voulue dans le moule il nous faut lui injecter un gaz a des pressions bien précises, des tiges descendent dans le moule grâce à des vérins a fin d’étirer la préforme et soufflent à une pression de 8 bar on appelle ça le pré-soufflage, vient ensuite la phase de soufflage avec une pression de 30 bar, sachant que ces pressions restent les mêmes et ne changent pas, c’est pour cela que l’on joue sur les temps de pré-soufflage et de soufflage. On obtient ainsi notre bouteille.
3) Propriétés mécaniques : le verrouillage du moule se fait grâce à des vérins pneumatiques Et a des genouillères mécaniques qui ferment le moule avec une force de pression de 150KN.
4) Propriétés du matériau : Dans notre travail, nous avons utilisé un matériau d’acier inoxydable de type X39 CrMo17-1. Ce matériau est utilisé généralement sur les surfaces d'appui pour résister à l'oxydation dans le bioalimentaire, à la corrosion et aux températures élevées. Les principales propriétés du X39 CrMo17-1 sont répertorie le tableau ci-dessous (Tableau III-2)
propriété Valeur Unité
Module d’élasticité 2.15e+05 MPa
Coefficient de poisson 0.28 S.O.
Module de cisaillement 7.9e+04 MPa
Masse volumique 7700 Kg/m^3
Limite de traction 800 MPa
Limite de compression MPa
Limite d’élasticité 6e+002 MPa
Coefficient de dilatation thermique
1.1e-005 /K
Conductivité thermique 14 W/(m.K)
Tableau III-2 Les principales propriétés du matériau X39 CrMo17-1.
III-6-2 Etude de conception du moule de bouteille 2L III-6-2-1 Choix du modèle
Un sondage commercial à l’intérieur du marché local concernant les boissons gazeuses, nous avons considère une bouteille plus grande afin de satisfaire nos clients.
Nous avons opté pour le polyéthylène téréphtalate comme matière de production de la Bouteille.
III-6-2-2 Dimensionnement
Selon les besoins de notre société on a conçu un moule pour bouteille de 2L pour satisfaire la demande de la clientèle.
Figure III-10 Les dimensions de la bouteille 2 L.
Nous nous sommes d’abord basé sur les mêmes dimensions que le moule déjà existant en opérant des modifications sur la profondeur du moule, mais après une longue réflexion le résultat obtenu n’était pas très satisfaisant car esthétiquement notre produit n’était pas à la hauteur. Alors on a procédé à la modification complète des dimensions de notre moule et nous
perdre de son esthétique et qui vas satisfaire la clientèle.
Dimensions Moule 1L Moule 2L
Longueur 270 mm 320 mm
Largeur 265 mm 280 mm
épaisseur 80 mm 80 mm
Distance entre les deux
empreintes 24 mm 18 mm
Distance entre l’empreinte
et la bordure 34 mm 53 mm
Diamètre de l’empreinte 74 mm 82.5 mm
Diamètre du goulot 19 mm 22 mm
Tableau III-3 Tableau montrant les dimensions des bouteilles de 1L et2L.
Figure III-11 Vue tridimensionnelle des conceptions des moules de soufflage : a) 2L face n°1. b) 1L face n°2.
Cette étude consiste à injecter de l’air comprimé dans notre moule a une température de 80°c avec une pression de 30bar pour vérifier la circulation du flux d’air à l’intérieur de nos moules lors de l’injection et de la dépressurisation ainsi que sa vélocité.
III-7-1 Etude de la vélocité du flux d’air dans les moules 1L et 2L
La figure (III.12) illustre le comportement du fluide qui de l’air à l’injection et dépressurisation dans le moule d’un Litre et deux litre. Dans les deux étude le fluide injecte est sous forme d’air comprime à une pression de 30bar et injecte à une température de 353.00 K
Figure III-12 Comportement du fluide lors d’un procès de soufflage de la préforme dans le moule de 1L: a) Procès d’injection de l’air, b) Procès de dépressurisation de l’air.
D’après l’étude effectue sur les moule d’un litre, on remarque durant le procès d’injection sous une pression de 30 bar que le flux d’air épouse la forme de l’empreinte figure III-12 (a), on remarque aussi que la vitesse de propagation du flux dans un état isostatique libre que la vitesse aux abords de la paroi est moins importante que ceux au milieux, ceci est probablement dû aux différents phénomènes de constriction thermique et aussi au frottement avec la cavité d’empreinte.
turbulent du fluide comme est montré dans la figure III-12 a et b, ceux régime turbulent ce résume sous forme d’un flux d’air de dépressurisation, la vitesse de sorti est de 401.560 m/s, ainsi qu’une pression 29bar sous une température de 293.20 K
Figure III-13 Comportement du fluide à l’injection et à la dépressurisation dans le moule 2L.
Selon la figure III-13 on remarque que lors du procès d’injection (c) sous une pression de 30bar le flux représenté en bleu va se disperser sur tous le long de l’empreinte jusqu’au fond de notre moule avec une vitesse moins importante au long des parois que celle au milieu.
Arrivé au fond nous allons avoir un retour qui va engendrer des turbulences. La figure III-13 (b) ont aura une dépressurisation du flux d’air la vitesse de sorti est de 401.560 m/s, ainsi qu’une pression 29bar sous une température de 293.20 K.
III-8 Etude thermique du moule III-8-1 Fonction de refroidissement:
Le refroidissement des moules est une nécessité technique ct économique. Une pièce moulée ne peut être extraite sans dommage de l'outillage qui l’a produit si elle n'a pas acquis une rigidité suffisante pour résister aux efforts d'éjection, donc si la température du plastique ne s'est pas abaissée au-dessous du point de fusion. Au-delà de la température de transition vitreuse pour les polymères amorphes, un refroidissement, est basé sur les seules pertes calorifiques à travers les parois du moule. C'est pourquoi un refroidissement artificiel accéléré
physiques et mécaniques des matières plastiques, en particulier des polymères
Le temps de refroidissement, à l'intérieur du moule, d'un objet en matière plastique représente presque toujours la phase la plus longue du cycle de production, en particulier pour les épaisseurs de pièces courantes de 1,5 à 3 mm, Pour une pièce d'épaisseur régulière, située dans les limites indiquées et présentant des surfaces latérales internes et externes importantes, le temps de refroidissement dépend directement du rapport du volume de la pièce moulée à la surface totale de refroidissement.
Le transfert de chaleur se fait depuis la pièce à travers l'empreinte jusqu'aux canaux de refroidissement. Le transfert de la paroi du moule jusqu'au liquide de refroidissement dépend du type d'écoulement du fluide. Le coefficient de transmission "h" augmente avec le nombre de Reynolds qui est beaucoup plus élevé pour un écoulement turbulent. On a donc intérêt à provoquer ce type d'écoulement dans les canaux de refroidissement. On introduit souvent dans les canaux, des obstacles qui provoquent un écoulement turbulent à vitesse plus faible.
Les figures (III-14) et (III-15) illustrent le comportement thermique de la cavité des moules d’un litre et deux litres après le procès de soufflage du PET. Dans les deux étude le fluide injecte est sous forme d’air comprime à une pression de 30bar et injecte à une température de 353.00 K, le de maintien d’un cycle de formation d’une bouteille dépend de son volume, il est de 3 s pour une bouteille d’un litre et de 4s a 5s pour une bouteille de 2L.
Figure III-14 : Etude thermique du moule 1L.
Dans cette partie on a effectué une étude thermique sur notre moule de 1L, lors de l’injection le flux entre à une température de 80°c (353k), celle-ci n’influe pas comme on peut le remarquer sur la figure III-16 le moule est représenté en bleu car il est très résistant à la chaleur et ce grâce à l’utilisation d’un acier inoxydable avec de bonne propriétés thermiques.
Figure III-15 Etude thermique du moule 2L.
notre moule (le même cas du moule 1L).
A la fin de notre étude thermique les deux moules ont donnée des résultats cohérant et très satisfaisant la dissipation du flux thermique et là même dans les deux moules et ne joue pas un rôle majeur.
On en conclu d’après nos deux études (étude thermique, étude du flux) que la température reste constante malgré le changement de dimensions. Seul la vélocité et le temps d’injection changent.
Industriellement, le soufflage de bouteilles en PET est généralement réalisé entre 90 et 110°C Cette plage de température de mise en œuvre se trouve limitée, aux basses températures, par la transition α, et aux hautes températures, par l’apparition d’une phase cristalline thermiquement activée. Ces deux limites, qui dépendent en outre de la vitesse de sollicitation, marquent un changement profond du comportement du PET amorphe, avec notamment une chute des modules élastique et visqueux (FIG. 3.1).
Figure III-16 - Mesure du module élastique G’ et du module visqueux G’’ du PET. Mesures de torsion à 1rad.s-1 avec un chauffage à 1°C.min-1[22]
Dans notre gamme d’étude les températures de formage, le PET possède un comportement majoritairement caoutchouteux auquel se superpose une composante visqueuse non négligeable [23]. La distribution de température est homogène tout au long de la cavité
de 40° au niveau de l’empreinte.
On peut dire aussi qu’il subsiste une dépendance à la vitesse de déformation du fait de la nature visqueuse du PET. De plus, ce comportement est fortement affecté par la température et le temps de maintien.
Figure III-17 Maillage de la préforme réalisé sous SolidWorks.
La figure illustre la variation de la température de la préforme au cours du temps, au niveau d’un point localisé à une distance de 40 mm du pas de vis (point choisi car il correspond au nœud médian du maillage). Cette figure permet de mettre en évidence plusieurs points :
- Tout d’abord nous constatons un très bon accord entre la température externe prédite numériquement A l’issue de la phase de chauffage l’erreur sur la température est inférieure à 5 %.
avec les mesures. Ceci révèle que les pertes thermiques sont correctement estimées.
- Enfin, nous pouvons constater qu’après 3 s de maintien, la température interne de la préforme devient supérieure à la température externe. Ce phénomène d’inversion de température est dû au fait que la paroi externe de la préforme est refroidie par convection, tandis que la diffusion de la chaleur dans l’épaisseur de la préforme à tendance à augmenter la température de la face interne.
Figure III-18 Variation de la température de la préforme en fonction du temps.
Le gradient thermique généré par cette inversion de température joue un rôle crucial durant la phase de mise en forme. En effet le taux d’étirage (rapport entre le rayon initial et le rayon final) au niveau de la paroi interne de la préforme est largement supérieur à celui de la paroi externe. Les contraintes induites durant la mise en forme sont par conséquent très supérieures au niveau de la paroi interne. Le gradient de température dans l’épaisseur de la préforme permet donc d’homogénéiser la contrainte.
Figure III-19 Représentation des déplacements imposés et chargements imposé sur le moule 1L.
Pour obtenir un Moule solide nous devons lui faire subir plusieurs études dont l’étude de contraintes qui comportent les étapes suivantes :
a) Etape 1 déplacement imposés : fixation du moule sur 3 face (gauche, droite, derrière) afin d’éviter que notre moule ne bouge.
b) Etape 2 chargements : notre moule subis une force de pression totale de 150KN sur les deux faces (avant et arrière).
c) Etapes 3 choix du matériau : nous avons optés pour un acier inoxydables léger et solide avec de bonnes propriétés.
Figure III-20 Résultats de l’étude de contrainte de Von mises (a).
Figure III-21 Résultats de l’étude de déplacements (b).
Résultats de l’étude :
La contrainte de von Mises minimale est de 2.225e+004N/m^2 et 6e+006N/m^2 pour la contrainte maximale, notre moule est compris dans un intervalle de tolérance très large alors il supporte toute les contraintes et les charge induite par notre machine.
Quant au déplacement on voit que sa valeur minimum est nul 0.000e+000mm et la valeur maximale et de 4.938e-004mm ce qui est très faible et quasi invisible a l’œil nu on en conclue que notre moule est apte à l’utilisation.
Figure III-22 Résultats de l’étude de Von mise (c) et du déplacements (d).
Nous avons refait les mêmes études mais cette fois pour un moule de bouteille de 2L. nous avons gardé les mêmes chargements et appliquer les mêmes forces 150KN et avons garder le même matériau (acier inoxydable). Les Résultats obtenus sont les suivants :
La contrainte von mises minimale est de 1.693e-003N/m^2 et la contrainte maximale est de 3.405e+006N/m^2 et d’après les caractéristiques du matériau utilisé on en conclue que notre moule reste dans le domaine élastique vu que 3.405e+006N/m^2 est inferieur a 6e+08N/m^2 (limite d’élasticité du matériau).
Quant au déplacement le résultat obtenu est le suivant : le déplacement minimal est nul et maximale est 4.922e-004mm ce qui très petit et négligeable.
En comparant les deux études on en conclue que les résultats sont approximativement proches en ce qui concerne le déplacement qui est très faible et n’influe pas négativement sur notre produit.
Ce qui nous mène à dire que lors de sa mise en production nous allons obtenir un produit bien fini est apte à l’emploi.
L’usinage de pièce est un besoin permanent. Que ce soit pour concevoir un moule ou un prototype, reproduire des pièces d’origine ou en produire de nouvelles, cette technique de fabrication garantit en effet des résultats très précis, notamment pour la réalisation de pièces à géométries complexes dans des matériaux divers. Grâce aux différentes technologies qui lui sont aujourd’hui associées, cette opération s’effectue assez rapidement. Cependant, quels que soient le matériau concerné et le résultat escompté, le respect de quelques étapes-clés est nécessaire pour un résultat optimal.
-Etape 1 : La validation des dessins techniques
C’est une étape préalable qu’il convient de mentionner dans le cadre d’un processus d’usinage efficace. Avant de commencer un quelconque travail, le prestataire se doit en effet de valider, avec le donneur d’ordre, les différentes données figurant sur les dessins techniques qui lui sont fournis, qu’il s’agisse des dimensions, des formes, des matériaux ou des degrés de précision recherchés pour chaque partie de la pièce à usiner. La moindre incompréhension ou erreur peut en effet fortement impacter la qualité du résultat final. De même, il est important de savoir que c’est en fonction de ces différents paramètres que sera choisi le procédé d’usinage adéquat
-Etape 2 : La modélisation
L’informatique intervient très tôt dans les processus modernes d’usinage. Une fois les différents schémas techniques validés, ils sont en effet désormais modélisés grâce à différents logiciels qui permettent d’avoir une vue en 3D de la pièce que l’on s’apprête à fabriquer et de ses différentes faces.
-Etape 3 : Le choix des outils
Selon la matière à traiter et en fonction du niveau de complexité de la pièce, l’outil d’usinage adéquat sera différent. Le fraisage, l’alésage, le mortaisage, le perçage et les nombreux autres procédés d’usinage nécessaires à la réalisation d’une pièce sur mesure sont en effet exécutés par différentes machines et outils, et ont différentes actions sur la matière. Leur choix doit donc se faire en fonction du résultat escompté.
-Etape 4 : Usinage
Après le choix du matériau et la validation des étapes précédentes, l’usinage de pièce proprement dit peut-être lancé. Il peut être effectué manuellement en recourant à différentes machines. Cependant, grâce aux développements de nombreuses machines-outils à commande
matérialisation de la pièce.
L’usinage de pièce est un besoin permanent. Que ce soit pour concevoir un moule ou un prototype, reproduire des pièces d’origine ou en produire de nouvelles, cette technique de fabrication garantit en effet des résultats très précis, notamment pour la réalisation de pièces à géométries complexes dans des matériaux divers. Grâce aux différentes technologies qui lui sont aujourd’hui associées, cette opération s’effectue assez rapidement. Cependant, quels que soient le matériau concerné et le résultat escompté, le respect de quelques étapes-clés est nécessaire pour un résultat optimal.
-Etape 1 : La validation des dessins techniques
C’est une étape préalable qu’il convient de mentionner dans le cadre d’un processus d’usinage efficace. Avant de commencer un quelconque travail, le prestataire se doit en effet de valider, avec le donneur d’ordre, les différentes données figurant sur les dessins techniques qui lui sont fournis, qu’il s’agisse des dimensions, des formes, des matériaux ou des degrés de précision recherchés pour chaque partie de la pièce à usiner. La moindre incompréhension ou erreur peut en effet fortement impacter la qualité du résultat final. De même, il est important de savoir que c’est en fonction de ces différents paramètres que sera choisi le procédé d’usinage adéquat
-Etape 2 : La modélisation
L’informatique intervient très tôt dans les processus modernes d’usinage. Une fois les différents schémas techniques validés, ils sont en effet désormais modélisés grâce à différents logiciels qui permettent d’avoir une vue en 3D de la pièce que l’on s’apprête à fabriquer et de ses différentes faces.
-Etape 3 : Le choix des outils
Selon la matière à traiter et en fonction du niveau de complexité de la pièce, l’outil d’usinage adéquat sera différent. Le fraisage, l’alésage, le mortaisage, le perçage et les nombreux autres procédés d’usinage nécessaires à la réalisation d’une pièce sur mesure sont en effet exécutés par différentes machines et outils, et ont différentes actions sur la matière. Leur choix doit donc se faire en fonction du résultat escompté.
-Etape 4 : Usinage
Après le choix du matériau et la validation des étapes précédentes, l’usinage de pièce proprement dit peut être lancé. Il peut être effectué manuellement en recourant à différentes machines. Cependant, grâce aux développements de nombreuses machines-outils à commande
matérialisation de la pièce.
Dans notre cas on prend un bloc d’acier inoxydable que nous avons précédemment choisis comme matériau X39 CrMo17-1.
Nous allons ensuite le tailler de façon à ce qu’on obtienne un bloc homogène et symétrique 280mm x320mm x160mm.
Nous allons ensuite le découper de façon à obtenir deux blocs de 80 mm d’épaisseur dans les quels nous allons usiner nos deux cavité.
Ensuite nous allons percer sur la face du haut un demi-cercle de 14 mm de rayon et 20 mm de profondeur.
Sur la face de dessous nous faisons un perçage de 42 mm de rayon et de 280 mm de profondeur, enfin nous allons percer les 30 mm restant de façon a obtenir un congé de 40 mm de rayon et nous obtenons ainsi notre cavité.
Ce travail ce ferra deux fois sur chacune des deux moitié de notre parallélépipède, pour obtenir un moule avec deux empreintes.
- Procédure générale de l’usinage sur fraiseuse numérique :
Lors de la réalisation d’un programme CN (Commande numérique), la programmation, à savoir la transposition des opérations élémentaires d’usinage en langage CN, ne représente souvent qu’une petite partie du travail de programmation.
Avant toute programmation proprement dite, il est important de planifier et de préparer méticuleusement les opérations d’usinage.
Plus votre préparation aura été précise quant à la structure de votre programme CN, plus la programmation sera simple et rapide et moins vous aurez d’erreurs dans le programme terminé. Des programmes claires s’avéreront par ailleurs d’autant plus avantageux le jour où des modifications devront être entreprises
Une pièce ne ressemblant pas à une autre, il n’est pas judicieux de créer chaque programme
Une pièce ne ressemblant pas à une autre, il n’est pas judicieux de créer chaque programme